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Arquitetura de Supercomputadores

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by

JUNIOR CESAR

on 2 April 2017

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Transcript of Arquitetura de Supercomputadores

Os supercomputadores são construídos com base em praticamente os mesmos componentes que temos em
micros
de mesa, possuindo memórias, HDs e processadores, porém em uma escala muito maior. Tendo como medida de velocidade os
flops
.
Arquitetura de Supercomputadores
Equipe
BRUNO ANDRADE
EDSON LOPES
HIGOR BELINI
JÚNIOR CÉSAR
WESLEY SAMUEL
Roteiro
1. Definição
2. Aplicações
3. Constituição
4. Arquitetura
5. Evolução
6.
Top Five World
7. Brasil e os supercomputadores
8. Conclusão
Referências
1. Definição
Um supercomputador é um computador com alto nível de processamento e memória em comparação com um computador de uso geral.
O termo “supercomputador” começou a ser usado em meados dos anos 60 para diferenciar sistemas de alto desempenho dos computadores de menor ex-pressão (pequeno e médio porte). Além do mais o termo usado não ficaria com muito sentido já que naquela época todos os computadores eram caros e grandes.
3. Constituição
3.1 HD's
Ao invés de usar apenas um disco rígido IDE ou SATA, como num micro de mesa, um supercompu-tador utiliza um
array
de centenas de
HDs
, que permitem gravar dados de forma fragmentada em vários discos e ler os pedaços simultanea-mente a partir de vários HDs, obtendo taxas de transferência muito altas.
3.2 PROCESSADORES E MEMÓRIAS RAM
Interligados através de nós, esses nós são interligados através de interfaces de rede, possuindo de 1 a 4 processadores e uma certa quantidade de memória RAM, garantido um acesso a memória muito rápido.
2. Aplicações
TOP FIVE WORLD
A mais recente edição da lista dos maiores supercomputadores do mundo foi anunciada no dia 20 de junho de 2016 na Conferên-cia de Supercomputação Interna-cional de
Frankfurt
, conforme imagem a seguir.
Considerações Finais
Em suma, é possível concluir enfatizando que, com os avanços tecnológicos os componentes de hardware dos computadores tem conseguido ficar cada vez melhores, de modo que o usuário consiga ter um melhor desempenho para com o computador. É interessante ressaltar a importância desses componentes no qual foram abordados para o computador, seus padrões dentre outros.
8. CONCLUSÃO
Os supercomputadores são normalmente utilizados em tarefas que demandam um alto grau de processamento bruto como a simulação de explosões nucleares, modelos do clima terreno, predição da aerodinâmica de veículos, reproduzir o funcionamento de funções do cérebro e estudar materiais a um nível molecular. Estas máquinas são normalmente gigantescas, ocupando várias salas diferentes e as vezes até prédios inteiros.

Percebe-se que a tecnologia de supercomputadores busca reduzir o tamanho dos seus componentes, tornando as possibilidades mais viáveis para usuários domésticos. Isso não quer dizer que teremos um
“Sunway”
como computador pessoal, mas com a constante evolução dos computadores, podemos ter uma máquina de mesmo desempenho em um futuro não tão distante.

Uma importante observação é a preocupação com o desenvolvimento de máquinas não só potentes, mas preocupadas ao mesmo tempo com desempenho e eficiência energética.
Supercomputadores híbridos estão se tornando cada vez mais comuns no topo dos mais poderosos, vendo assim uma provável tendência do futuro.

The end
Obrigado!
4. Arquitetura
Devido à utilização específica de cada supercomputador, é possível criar essas máquinas com arquiteturas diferentes, mas basicamente são utilizadas as seguintes:

SMP

Symmetric Multiprocessing
(multiprocessamento simétrico)
MPP

Massively Parallel Processor
(processamento maciçamente paralelo)

PVP
-
Parallel Vector Processors
(processadores vetoriais paralelos)
DSM

Distributed Shared Memory
(Memória compartilhada distribuída)
BRASIL
E OS
SUPERCOMPUTADORES
Suas aplicações são muitas e principalmente em relação à pesquisa científica, aplicações militares, meteorológicas, tarefas que envolve um volume absurdo de cálculos e são necessárias para uso de governos e instituições que tem o poderio financeiro para pagar e possuir uma supermáquina como essas.
3.3
FLOPS
Indica o número de operações de ponto flutuante que um computa-dor consegue executar por segundo:

Megaflop
/s = 1 milhão de operações por segundo;

Gigaflop
/s = 1 bilhão de operações por segundo;

Teraflop
/s = 1 trilhão de operações por segundo.
3.4
BLADES
Estruturas feitas para facilitar o acesso a componentes do supercomputador, como processadores memórias e HD's. Muitos chamam de "
gavetas
".
4.1 MULTIPROCESSADORES SIMÉTRICOS (SMP)
Os SMPs são sistemas constituídos de processadores comerciais ligados a uma memória compartilhada. Utilizam-se amplamente da memória
cache
e todos os processadores tem igual acesso ao barramento e a memória compartilhada. Sua programação é aproximada daquela feita em sistemas convencionais, mas tem como desvantagem o uso de um barramento de interconexões, que permite apenas uma transação por vez; e embora essa limitação possa reduzir a escalabilidade desse tipo de sistema, é mais fácil programar esse tipo de máquina do que máquinas que se comunicam por troca de mensagens.
4.2 MÁQUINAS MACIÇAMENTE PARALELAS (MPP)
Os MPPs são multicomputadores NORMA (
NO Remote Memory Access
) construídos com milhares de processadores comerciais ligados por uma rede de alta velocidade.
Devido ao grande número de processadores, é obtido um alto desempenho desse tipo de máquina. Porém como a comunicação é feita por troca de mensagens, a programação se torna mais difícil que nos casos em que a memória é compartilhada.
4.3 PROCESSADORES VETORIAIS PARALELOS (PVP)
Sistemas construídos com poucos processadores, porém,
poderosos. A interconexão é feita, geralmente, por uma
matriz de chaveamento (
crossbar
) de alta vazão.

Assim como nos SMPs, sua memória é compartilhada. Normalmente utiliza um grande número de registradores vetoriais e um
buffer
de instrução, no lugar da memória
cache.
4.4 MEMÓRIA COMPARTILHADA DISTRIBUÍDA (DSM)
Os DSMs, mesmo trabalhando com a memória distribuída entre os nós, todos os processadores têm acesso à todas as memórias.

O espaço de endereçamento único, o compartilhamento de dados e o controle de coerência de
cache
são conseguidos com
software
.

Podem ser sistemas que trabalham com memória entrelaçada distribuída, ou sistemas onde as memórias podem ser ligadas através de adaptadores de rede a uma rede de interconexão específica, que permite o acesso a memórias remotas.
Professor
LUIZ FERNANDO MOURA PIANTINO
Disciplina
ARQUITETURA DE COMPUTADORES
4.5
CLUSTER
(OU
CLUSTERING
)
É o nome dado a um sistema que relaciona dois ou mais computadores para que estes trabalhem de maneira conjunta no intuito de processar uma tarefa.
Estas máquinas dividem entre si as atividades de processamento e executam este trabalho de maneira simultânea.
Cada computador que faz parte do cluster recebe o nome de nó (ou
node
).

Os tipos de
cluster
são:

Cluster
de Alto Desempenho (
High Performance Computing Cluster
)

Cluster
de Alta Disponibilidade (
High Availability Computing Cluster
)

Cluster
para Balanceamento de Carga (
Load Balancing
).
5. EVOLUÇÃO
5.1 O PRIMEIRO SUPERCOMPUTADOR CDC 6600
O primeiro computador a ser usado e, chamado de supercompu-tador, foi o CDC 6600 lançado em 1964, oferecendo um poder de processamento com cerca de 3
megaflops
(3 milhões de opera-ções por segundo), valor que era impressionante naquela época, baseando em placas de circuito com transmissores individuais e não por
microchips
.

Para atingir o nível de funcionamento, foi adotado um conjunto de instruções bastante simples que permitia que os circuitos de processamento operassem a uma frequência de 10 MHz, compensando a falta de flexibilidade com a simplicidade e potência bruta.
5.1 O PRIMEIRO SUPERCOMPUTADOR CDC 6600
5.1 O PRIMEIRO SUPERCOMPUTADOR CDC 6600
Na mesma época do CDC 6600, os surgimentos de outras máqui-nas vieram à tona, e a maioria já tinha um S.O (
sistema opera-cional
) primitivo que através de terminais burros (
processamento, que ligados ao servidor, apenas mostravam imagens na tela e enviavam os comandos digitados pelo usuário
) que incluíam o teclado e o monitor, permitindo que fosse acessado por vários usuários simultaneamente, ajudando a justificar o alto custo.

E também eram usadas unidades de armazenamento em fita, impressora e leitores de cartões (perfurados) e vários outros periféricos.
5.2 CRAY-1
Na década de 70 com o surgimento do
microchip
, que além de possibilitar o aparecimento dos computadores pessoais, fez com que o desempenho dos supercomputadores aumentasse de modo assustador.

Exemplo disso é o
Cray-1,
lançado em 1976.

Apesar de todo seu funcionamento, ele tinha o peso relativamen-te compacto para um supercomputador chegando a apenas 5,5 toneladas e seu sistema de refrigeração era baseado em um sistema de
gás freon pressurizado
.
5.2 CRAY-1
5.2 CRAY-1
O
Cray-1
marcou época e deu origem a uma grande família de supercomputadores comerciais incluindo o
Cray XMP/4
de 1983 único capaz de superar a barreira de 1
gigaflop
(corresponde a
1 bilhão de operações por segundo) rodando aplicativos bem otimizados e o
Cray 2/8
de 1985, que atingiu a marca de 2,4
gigaflops
.

Em meados de 1990 os supercomputadores migravam para as arquiteturas de processamento distribuídos, passando a usar processadores da
Intel
e
AMD
(no caso os computadores da
IBM
).

5.3 IBM BLUE GENE/L
Entre 2004 a 2008, o computador mais rápido do mundo, foi o I
BM Blue Gene/L
.

O supercomputador era composto por 65.532 processadores
Dual PowerPC
440 (131.072 núcleos no total), com 32
terabytes
de memória RAM, 1,01
petabytes
de armazenamento e um poder bruto de 280,6
teraflops
(corresponde a 1 trilhão de operações por segundo).

5.3 IBM BLUE GENE/L
5.4
ROADRUNNER
Em 2008 o
Blue Gene/L
perdeu o posto de mais rápido para o
Roadrunner
, outro sistema da IBM, dessa vez baseado em uma combinação de processadores
AMD Opteron 2210
e processadores
PowerXCell
, fabricados pela própria IBM.

O
Roadrunner
inclui um total de 19.440 processadores, sendo 6480
Opterons dual-core
e 12.960
PowerXCells
, acompanhados por 103.6TB de memória RAM e processadores adicionais para gerenciamento de dados e comunicação. Isso resultou em um desempenho bruto de 1,1
petaflops
(1105
teraflops
), mais de duas vezes mais do que a versão atualizada do
Blue Gene/L
.
5.4
ROADRUNNER
5.5
CRAY XT5-HE (JAGUAR)
Em 2009, o
Roadrunner
foi superado pelo
Cray XT5-HE (Jaguar)
, que oferece um desempenho bruto de 1,76 petaflops.

O
XT5-HE
é baseado em processadores da AMD, desta vez com o
Opteron
de 6 núcleos, baseado no
core Istambul
. Ele inclui um total de nada menos que 37.376 processadores, ou seja, 224.256 núcleos (um quarto de milhão).

O
Jaguar
inclui nada menos que 4.672 gabinetes, ligados através de uma topologia proprietária de rede, com um total de 300 TB de memória e 10 PB de armazenamento centralizado.
5.5
CRAY XT5-HE (JAGUAR)
5.5
CRAY XT5-HE (JAGUAR)
7. Brasil
Em novembro de 2015, o Brasil era o 10º colocado entre os países com o maior número de máquinas de alto desempenho no Top 500, com seis computadores no total.
Entre as pesquisas desenvolvidas com a ajuda dos PCs estão o tratamen-to contra o Mal de Alzheimer, o mapeamento genético do vírus Zika e o desenvolvimento da indústria de óleo e gás.
Entre a realização da pesquisa, em 2015, e junho de 2016 o país perdeu dois supercomputadores, mas continua líder entre os países latinos.
7.1 SANTOS DUMONT
Entre os motivos para a queda nos números de supercomputado-res ativas no Brasil está a falta de verbas para pagar a conta de luz. O
Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)
, por exemplo, precisou desativar o PC Santos Dumont, um dos mais potentes do país.
Batizado com o nome de um dos maiores inventores brasileiros, o supercomputador fica na cidade de Petrópolis, Rio de Janeiro, e é constituído por três módulos distintos:
GPU, CPU e Hybrid
. Cada um deles está na lista
Top 500
.
Os três juntos chegam a 1,1
petaflops
de desempenho, que em uma comparação simples chega a ser um milhão de vezes mais rápido que um
notebook
comum.
7.2
CIMATEC YEMOJA
Segundo mais veloz do Brasil e da América Latina, o supercompu-tador
Cimatec Yemoja
foi inaugurado em maio de 2015 na unidade
SENAI Cimatec
em Salvador (BA). Hoje, a máquina é a 323º no
ranking
mundial. O nome
Yemoja
é
Iemanjá
da língua
iorubá
.

Apesar de ser utilizado prioritariamente para pesquisas de geo-física focando no desenvolvimento da indústria de óleo e gás, o
Cimatec Yemoja
também traz benefícios para várias outras áreas
de pesquisa, como a farmacêutica e química.
7.3 GRIFO04
Propriedade da
Petrobras
, o
Grifo04
fica no Rio de Janeiro, mais precisamente no
Centro Integrado de Processamento de Dados da Petrobras (CIPD),
instalado na Cidade Universitária da UFRJ.

O supercomputador começou a operar em 2011 e chegou a ser considerado o 68º mais rápido do mundo em 2012 e o mais rápido da América Latina até 2014.
Hoje, já não figura mais no Top 500.

Seu design foi criado pelo time de desenvolvimento da Petrobras
e fabricado pela empresa
Itautec
. Equipado com 1088
GPUs Nvidia Tesla M2050
, o
Grifo04
atinge um desempenho de 251,5
teraflops
(0,251
petaflops
) e é utilizado para estudos sísmicos e mapeamen-to da camada pré-sal.
7.4 TUPÃ
O Tupã está instalado no
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
de Cachoeira Paulista, São Paulo. O supercomputador entrou em atividade em 2010, quando se tornou o 29º mais poderoso do mundo.

Fabricado pela
Cray
, o modelo é um XE6 com capacidade de 214
teraflops
(0,214
petaflops
). Em atividade até hoje, o Tupã atende aos centros de
Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), o de Ciência do Sistema Terrestre (CCST) e outros órgãos de pesquisas climáticas gerando previsões mais precisas e confiáveis.

O Tupã foi de fundamental importância para o desenvolvimento do Modelo Brasileiro do Sistema Climático Global, um dos maiores projetos de estudo sobre o clima na América do Sul. Com sua vida útil terminando em 2017, um novo supercomputador deve ser adquirido ainda nesse ano para substituí-lo.
7.1 SANTOS DUMONT
Como supercomputador que é, a máquina era utilizada para di-versas pesquisas diferentes, entre elas a identificação de cadeias de proteínas que podem ser utilizadas no tratamento contra o
Mal de Alzheimer
.
Antes de ser desativado, um dos trabalhos que estava sendo processado pela máquina era o mapeamento do genético do vírus
Zika
. Além de projetos de cardiologia, energia, petróleo e gás natural. Atualmente, o PC só é ligado por curtos períodos apenas para evitar defeitos pela falta de uso.
7.1 SANTOS DUMONT
7.2
CIMATEC YEMOJA
7.3 GRIFO04
7.4 TUPÃ
REFERÊNCIAS
SUPERCOMPUTADOR. Disponível em < http://www.hardware.com.br/termos/ supercom-putador>. Acesso em: 16 set.2016.

ENTENDENDO OS SUPERCOMPUTADORES. Disponível em <http://www. hardware.com.br/dicas/entendendo-supercomputadores.html>. Acesso em:16 set.2016.

BRASIL ABRIGA SEIS SUPERCOMPUTADORES, QUATRO DELES NO TOP 500 DO MUNDO. Disponível em <http://www.techtudo.com.br/noticias/noticia/2016/07/ brasil-tem-seis-supercomputadores-no-top-500-mundial-conheca-maquinas.html>. Acesso em: 17 set.2016.

TOP 10 SITES FOR JUNE 2016. Disponível em <https://www.top500.org/lists/2016 /06/>.
Acesso em: 17 set.2016.

Imagens da internet. Disponíveis em <https://www.google.com.br/imghp?hl=pt-PT>.
Acesso em: 18 set.2016.
4.5
CLUSTER
(OU
CLUSTERING
)
TIPOS DE CLUSTERS

CENTRALIZADOS: conjunto de PCs montado em uma grande estante em uma única sala.
DESCENTRALIZADOS: conjunto de PCs espalhados por uma unidade, por exemplo, um edifício ou um laboratório.

_ Aproveitar o tempo ocioso dessas máquinas.

_ São conectados por uma LAN.
4.5
CLUSTER
(OU
CLUSTERING
)
APLICAÇÃO
(Google)

– Sistema de busca para achar informações na internet.

– TAREFAS: achar, indexar e armazenar toda a WWW (mais de 8 bilhões de páginas e 1 bilhão de imagens), ser capaz de pesquisar tudo isso em menos de 0,5 s e manipular milhões de consultas/segundo do mundo inteiro, 24 horas por dia.

–Não pode parar nunca, nem mesmo devido a terremotos, queda de energia elétrica, queda da rede de telecomunicações, falhas de hw e bugs de sw.
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